Verbetering van MgZnO MSM fotodetector prestaties met Pt nanodeeltje-gedreven oppervlakteplasmonen

Samenvatting

We hebben MgZnO metaal-halfgeleider-metaal (MSM) ultraviolet fotodetectoren (UV) voorgesteld en gedemonstreerd ondersteund met oppervlakteplasmonen (SPs) bereid door de radiofrequentie magnetron sputter depositiemethode. Na decoratie van hun oppervlak met Pt nanodeeltjes (NPs), werd de responsiviteit van alle elektrode-afstand (3, 5 en 8 µm) fotodetectoren dramatisch verbeterd; tot onze verrassing, vergeleken met hen, de responsiviteit van het grotere afstand monster, meer SPs werden verzameld die kleiner zijn dan anderen op hun beurt. Een fysiek mechanisme gericht op SPs en depletiebreedte wordt gegeven om de bovenstaande resultaten te verklaren.

Achtergrond

ZnO is een aantrekkelijke wijd direct bandkloof (~ 3,37 eV) oxide halfgeleider met stralingshardheid en milieuvriendelijkheid. Deze kenmerken maken het geschikt voor de fabricage van kort-golflengte opto-elektronische toestellen, zoals UV fotodetectoren. Echter, vanwege de onvolwassenheid van p-type doping en andere gerelateerde zonneblinde technologie, is de prestatie van ZnO-gebaseerde UV fotodetectoren nog steeds lager dan verwacht. Voor de fabricage van hoog-presterende ZnO-gebaseerde UV fotodetectoren is een veelvoorkomende en effectieve methode het verbeteren van de materiaalkwaliteit en het optimaliseren van de toesteltechnologie, maar dit is meestal een langetermijnproces [1,2,3,4,5,6,7].

Recent is veel aandacht besteed aan SPs voor hun fundamentele wetenschappelijke belang en veelbelovende praktische toepassingen. De SPs kunnen gerealiseerd worden in coatings op het oppervlak van metaal NPs door magnetron sputteren. De metaal NPs op het oppervlak kunnen de verstrooiing van de invalsende fotonen verbeteren en meer fotonen het substraat laten bereiken, en dus kan de absorptie van de fotonen verbeterd worden [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]. In veel recente studies worden Ag nanodeeltjes beschouwd als een beter materiaal. Maar Ag zou geoxideerd kunnen zijn aan de ZnO-Ag interface om uiteindelijk een laag zilveroxide (AgO) te vormen [19]. Als een soort nieuw en stabiliteit eigenschappen metaal in de wereld, is het platina (Pt) element een belangrijke kandidaat van het plasmonische materiaal, wiens SPs in het UV bereik liggen. Bovendien is een metaal-halfgeleider-metaal (MSM) structuur gekozen voor de MgZnO fotodetectoren, met de voordelen van een planaire toestelstructuur, snelle fotorespons en eenvoud in fabricageproces. Echter, er is tamelijk beperkt systematisch onderzoek naar de gecombineerde effecten van barrièrehogte en depletiebreedte, zelfs al zou het de vooruitgang van praktische toepassing en perfecte fundamentele fysica kunnen bevorderen. In dit werk zijn MgZnO UV fotodetectoren met verschillende actieve lagen en elektrode-afstanden ontworpen en geproduceerd.

In dit artikel produceerden we MgZnO MSM UV fotodetectoren ondersteund met SPs bereid door de radiofrequentie magnetron sputter depositiemethode. Het meest belangrijk is dat de responsiviteit van de fotodetectoren verbeterd werd door metaal Pt NPs op het oppervlak van het toestel te sputteren. Om SPs te demonstreren, dan door te vergelijken met elektrode-afstand van 3, 5 en 8 µm de responsiviteit van grotere afstand, meer SPs zijn kleiner dan anderen op hun beurt. In theorie, meer SPs, meer foto-gegenereerde elektronen-gat paren worden dan gecreëerd en de fotostroom wordt dienovereenkomstig verhoogd. Tot onze verrassing, vanwege de responsiviteit van grotere afstand monster, meer SPs werden verzameld die kleiner zijn dan anderen, wat aantoont dat deze methode een krachtige complement is voor het verbeteren van de prestaties van fotodetectoren.

Methoden/Experimenteel

Het MgZnO target werd bereid door sintern van mengsel van 99,99% zuiver MgO en ZnO poeders bij 1000 °C gedurende 10 uur in luchtambient en vervolgens op een zink target geplaatst. (De twee targets zijn nauw verbonden door de hoge-temperatuur geleidende kraag. De diameter van Zn target is 7 cm.) Duidelijk is dat de MgZnO bundelstroom zal worden omringd door de Zn bundelstroom, wat het verlies van Zn atomen effectief reduceert [20]. De samenstelling van de MgZnO film kan gemakkelijk gecontroleerd worden, zelfs bij hoge substraattemperatuur.

De kwarts substraten zijn achtereenvolgens 30 min gereinigd met aceton, ethanol en gedemineraliseerd water, en daarna drooggeblazen met lucht vóór depositie. De MgZnO film werd eerst gegroeid op het kwarts substraat, met een totale druk van 3 Pa, een sputtervermogen van 120 W, bij kamertemperatuur. Ten slotte werden de bovenste Au vingerelektroden geconstrueerd door lithografie en nat etsen, die 500 µm lang en 5 µm breed waren met 3-, 5- en 8-µm afstand, en de som van vingerparen was 15 (Fig. 1 toont het schema van de fotodetector).

De fase-identificatie van de MgZnO film wordt gekarakteriseerd door de Rigaku Ultima VI röntgendiffractometer (XRD) met Cu Kα straling (λ = 1,54184 Å) bij 40 kV en 20 mA. Een PerkinElmer Lambda 950 Spectrometer wordt gebruikt voor de absorptiespectra in het golflengtebereik van 200 tot 700 nm. De stroom-spanning (I-V) kenmerken van de MgZnO fotodetectoren worden gemeten onder een 20 V bias met een Agilent 16442A Test Fixture. De spectrale respons voor de MgZnO fotodetectoren wordt opgenomen met een Zolix DR800-CUST.

Resultaten en discussie

De XRD patronen van de MgZnO films in verschillende sputtertijden worden getoond in Fig. 2. Hier is een diffractiepiek gelegen bij ongeveer 34,84°, wat geïndexeerd kan worden naar het (002) vlak van MgZnO, en het betekent dat MgZnO films kristallen typisch geproduceerd worden langs de c-as. De intensiteiten van de zonder Pt NPs en met sputteren Pt NP MgZnO pieken zijn bijna hetzelfde, wat kan bewijzen dat de sputter depositie Pt NPs op het oppervlak van MgZnO films werden afgedeponeerd en geen effect hadden op de kristalkwaliteit van de films. Figuur 3 illustreert de optische absorptiespectra van de zonder Pt NPs en met sputteren Pt NP MgZnO films [21, 22]; het resultaat suggereert dat de verbetering van absorptie optreedt voor de detector met as-gedeponeerde Pt NPs door SP modi. Vergeleken met de pristine MgZnO film, is de absorptie van de MgZnO films gecoat met Pt NPs verbeterd in het spectrumbereik. Tegelijkertijd werden de MgZnO films gekarakteriseerd door energie-dispersieve spectrometer (EDS), en de magnesiumconcentratie is ongeveer 24% (de inset van Fig. 3). Plan-zija SEM afbeelding van MgZnO oppervlak met sputteren voor 20 s, met Pt NPs, worden getoond in Fig. 4. De gemiddelde diameter van de Pt NPs is ongeveer 6,26 ± 0,50 nm.

Figuur 5 toont de responsiviteit van de MgZnO fotodetectoren (met verschillende elektrode-afstand) versus invalsende lichtgolflengte bij 5 V bias. De verbeteringstendensen van de responsiviteit zijn in totaal toegenomen door het decoreren van de Pt NPs. Opvallend is dat, onder dezelfde condities, alle fotodetectoren toenemen met afnemende elektrode-afstand (3, 5 en 8 µm). Daarom is de dominante component van de responsiviteitsverbetering het effect van de Pt NPs. De resultaten wijzen erop dat het verbeteringsbereik van de responsiviteit gemakkelijk gecontroleerd kan worden, wat verschilt van conventionele methoden zoals bias spanning wijzigen. Tot onze verrassing, vanwege de responsiviteit van grotere afstand monster, meer SPs werden verzameld die kleiner zijn dan anderen. In theorie, omdat meer SPs verschijnen, worden meer foto-gegenereerde elektronen-gat paren gecreëerd en de fotostroom wordt dienovereenkomstig verhoogd. Het fenomeen is inconsistent met de theorie. De non-lineaire I-V kenmerken (getoond in Fig. 6) voor de MgZnO fotodetectoren geven aan dat de klassieke Schottky metaal-halfgeleider contacten zijn bereikt. Het wordt ook getoond dat de donkerstroom vergroot wordt met de afnemende elektrode-afstand bij dezelfde bias, wat kan worden verklaard door de depletiebreedte van de metaal-halfgeleider overgang.

Om de aard van het interessante fenomeen te onthullen, worden twee mogelijke redenen voorgesteld als de oorzaak die resulteert tussen de verbeterde responsiviteit en donkerstroom: (1) Om de ideale combinatoire doelen van MgZnO fotodetectoren te krijgen, gebruiken we Pt NPs om het toestel opnieuw te modificeren. Het invalsende licht van passende golflengte interageert met de metaal NPs efficiënt over verstrooiingsdwangsecties veel groter dan zijn geometrische dwarsdoorsneden door koppeling met SPs. Het mechanisme voor het plasmonische verstrooiingseffect is beschreven in de literatuur. Dus de verdeelde licht verkrijgt dan een bepaalde hoekspreiding in de MgZnO laag. Als resultaat zal het invalsende licht meerdere keren door de halfgeleider gaan, wat de effectieve optische baanlengte verhoogt. Belangrijker nog, het verhogen van de optische baanlengte kan de lichtabsorptie verbeteren. De fotoresponsiespectra van de met Pt NPs waren geleidelijk hoger dan die van zonder Pt NP toestellen (Fig. 7a toont het schema van SPs). (2) De depletiebreedte (W) verklaart waarom de responsiviteit van alle MgZnO fotodetectoren toeneemt met afnemende elektrode-afstand bij dezelfde bias. De depletiebreedte kan beschreven worden als [23] W={[2ε₀ε₁(ψ₀+V)/qN_d]}^½ (1) waar ε₀ de absolute dielectrische constante is, ε₁ de relatieve dielectrische constante, ψ₀ de ingebouwde potentiaal, V de bias spanning, q de elektronlading en N_d de donorconcentratie. Als de elektrode-afstand toeneemt, zal het oppervlak van de halfgeleider dunne film toenemen, wat verwijst naar de effectieve weerstand toeneemt. ε₀, ε₁, ψ₀, V, q en N_d zijn invarianten, wat resulteert in verbreeding naarmate de elektrode-afstand toeneemt, wat resulteert in een afname van de spanning die op de depletier regio werkt. Men kan alleen de biaseffecten van de depletiebreedte zien; de spanning toegepast op de depletier regio is dat het vermindert naarmate de elektrode-afstand toeneemt. Dus, elke foto-gegenereerde drager in deze regio zou uitgeveegd worden door het hoge elektrisch veld en naar de metaal elektroden driften. Dus, het aantal foto-gegenereerde dragers zal toenemen, wat de trend van de responsiviteit tegengesteld maakt aan de afstandstoename (Fig. 7b toont het schema van depletiebreedte). Echter, alle fotodetectoren nemen toe met afnemende elektrode-afstand (3, 5 en 8 µm); onder dezelfde NP grootte en dichtheid, heeft grotere elektrode-afstand meer opgewonden NPs; en dan is de vermogen van nabij-veld gekoppeld aan de halfgeleider sterker. Meer foto-gegenereerde elektronen-gat paren worden dan gecreëerd, en de fotostroom wordt dienovereenkomstig verhoogd in theorie. Het is de moeite waard om op te merken dat de responsiviteit van alle fotodetectoren toeneemt met afnemende elektrode-afstand (3, 5 en 8 µm) en bias spanning constant zijn. Zoals hierboven vermeld, richt de dominante factor zich op depletiebreedte om dit interessante fenomeen te verklaren. Alle resultaten onthullen een praktische route om de responsiviteit van SPs te verbeteren. Hier, vergeleken met andere veelgebruikte materialen of eerdere fotodetectoren, gaan veel Zn atomen verloren tijdens het groeiproces, wat te wijten is aan de hogere dampdruk van Mg vergeleken met Zn. Het zal veel defecten vormen in de films door het tekort aan Zn atomen. De fotodragers zullen gerecombineerd worden door de defecten, en de responsiviteit van de zonneblinde fotodetectoren zal sterk verminderen. Bovendien, vanwege het verlies van Zn atomen, is de onorde en fluctuatie van inhoud moeilijk te vermijden, en het twee-staart fenomeen van de absorptierand zal volgen. Als resultaat zal de UV-zichtbare afwijzingsratio vervallen gepaard gaand met het verminderen van de detectiviteit. Gevolglijk kan het controleren van de stoichiometrische verhouding in de films een route zijn om de prestaties van de MgZnO fotodetectoren te verbeteren. De SPs kunnen gerealiseerd worden in coatings op het oppervlak van metaal NPs door magnetron sputteren. De metaal NPs op het oppervlak kunnen de verstrooiing van de invalsende fotonen verbeteren en meer fotonen het substraat laten bereiken, en dus kan de absorptie van de fotonen verbeterd worden. In theorie, meer SPs, meer foto-gegenereerde elektronen-gat paren worden dan gecreëerd en de fotostroom wordt dienovereenkomstig verhoogd. Om SPs te demonstreren door te vergelijken met elektrode-afstand van 3, 5 en 8 µm de responsiviteit van grotere afstand, meer SPs zijn kleiner dan anderen op hun beurt.

Conclusies

Om de ideale MgZnO fotodetectoren te krijgen, produceerden we MgZnO MSM ultraviolet fotodetectoren met verschillende elektrode-afstanden (3, 5 en 8 µm). Dan hebben we een nieuwe benadering (we gebruiken Pt NPs om het toestel te modificeren) om de prestaties van de toestellen te verhogen. Tot onze verrassing, door te vergelijken met hen de responsiviteit van grotere afstand monster, meer SPs werden verzameld die kleiner zijn dan anderen op hun beurt. We detailleerden de bredere depletiebreedte, om de geoptimaliseerde responsiviteit te verklaren, en we stellen voor dat de SPs van Pt NPs de verstrooiing van invalsende licht hebben verbeterd, wat gunstig is voor verder onderzoek in films fotodetectoren. Vervolgstudie is gaande om hoog-kwaliteit MgZnO UV fotodetectoren te ontwikkelen.

Afkortingen

AgO:

Zilveroxide

EDS:

Energie-dispersieve spectrometer

MSM:

Metaal-halfgeleider-metaal

NPs:

Nanodeeltjes

SPs:

Oppervlakteplasmonen

UV:

Ultraviolet